CN105551222A - 嵌入式桥梁健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式桥梁健康监测系统，用以辅助桥梁养护工作，实时监测旧桥健康状况，它包括3G无线模块、工控主机、采集卡和传感器，在工控主机与采集卡之间连接有一个通信转换模块，所述3G无线模块与工控主机相连，工控主机与通信转换模块相连，通信转换模块与采集卡相连，采集卡与传感器的输出端相连。工控主机与通信转换模块之间采用CAN总线通信方式，通信转换模块与采集卡之间采用485通信方式，监测系统采用双主机架构的方式。本发明的突出效果在于采用这样的系统可以保证监测系统数据的连续性、有序性以及准确性，更能保证系统稳定运行，从而避免桥梁垮塌事件带来的严重后果。

Description

嵌入式桥梁健康监测系统

技术领域

本发明涉及桥梁工程信号传输技术领域，特别是一种嵌入式桥梁健康监测系统。

背景技术

现阶段现有桥梁健康监测系统的通信架构以并行485通信以及485总线为主，但是并行485架构由于在硬件上采用了多路并行结构，使得成本成倍增长，另外，485总线主控程序需要实现多路协调工作，各路间并没有严格的优先级，一旦发生并发现象，容易导致数据丢失；同时485总线的耐压性较低，当并接的传感器节点过多时，容易出现由于多节点并发故障引起的总线电流过大而烧毁硬件设备的现象，公开号为101916507A，发明名称为“桥梁健康监测系统”提供的是一种可建立大型监控网的桥梁健康监测系统，但其中的通信结构并不完备，对于并行485通信以及485总线来说，由于没有像CAN总线那样完备的通信控制机制，当单路传感器发生故障而不停上传数据时，会导致系统瘫痪。

发明内容

本发明的目的是提供一种嵌入式桥梁健康监测系统，以辅助桥梁养护工作，实时监测旧桥健康状况，避免桥梁垮塌事件带来的严重后果。

本发明的技术方案为：一种嵌入式桥梁健康监测系统，包括3G无线模块、工控主机、采集卡和传感器，其技术要点是：工控主机用于执行上位机下达的命令，根据上位机命令控制采集卡完成数据的采集，并接收采集卡传来的数据，整理并打包数据，将数据发往上位机服务器，3G无线模块用于通过公网发送接收数据，采集卡用于将传感器中的模拟信号转换成数字信号，传感器用于采集被测信息，在工控主机与采集卡之间连接有一个通信转换模块，所述3G无线模块与工控主机相连，工控主机与通信转换模块相连，通信转换模块与采集卡相连，采集卡与传感器的输出端相连，工控主机与通信转换模块之间采用CAN总线通信方式，通信转换模块与采集卡之间采用485通信方式，监测系统采用包含主机一和主机二的双主机架构的方式，采集卡被启动之后，周期性通过CAN总线向工控主机上传采集到的数据，工控主机收到采集卡数据后对其进行整理，并上传给上位机服务器，当主机一收到上传历史数据命令或处于异常状态时，主机二会启动，并作为上传实时数据的通道，待主机一恢复实时采集状态时，主机二停止工作。监测系统可选取不同类型的传感器，相对于不同的传感器协议，设计有一套下位机信息控制方法：

步骤（1）：接收上位机传来的命令，选择正确的通道；

步骤（2）：判断接收数据的类型，设定上传数据的类型；

步骤（3）：判断上位机服务器下达的命令，命令1即为采集数据，命令2为上传历史数据，命令3为设定系统的时间，网络断开时则将采集到的数据保存至下位机。

本发明的优点在于将CAN通信与485通信结合使用，此设计，提出一种新的桥梁健康监测系统通信架构，监控系统主机内部的工控主机与各通信转换模块之间采用CAN通信，通信转换模块与采集卡之间采用485通信。这样可以充分利用两种通信方式的优势，CAN(ControllerAreaNetwork)是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，较目前基于RS-485总线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：CAN控制器可作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差；CAN总线通过CAN控制器接口芯片的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象，而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态；CAN具有完善的通信协议，可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低了系统的开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。

本发明的第二个优点在于通过双主机的方式来保证监测系统数据的连续性，并且同时只有一个主机工作，双主机通过一定的方式进行切换，同时3G模块建立连接的时候输出命令一，断开连接的时候输出命令二，且只输出这两种命令，工控主机上传数据的无线通道只有一个，当无线通信中断的时候，实时数据不能上传，这时工控主机会将采集到的数据存储至工控主机的存储空间中，待无线网络恢复的时候，可以通过命令调取断网期间的数据，但是工控主机的无线网络通道只有一个，上传历史数据的时候会中断实时数据的上传，因此这里采用双主机的工作模式，当主机一收到上传历史数据命令或处于异常状态时，主机二会启动，并作为上传实时数据的通道，待主机一恢复实时采集状态时，主机二停止工作。

本发明的第三个优点在于设计了多类型传感器及其嵌入式集中控制平台，根据桥梁健康监测中不同监测数据类型的需要，对应选取不同类型的传感器以及采集卡进行桥梁数据的监测，本系统针对不同的传感器协议，制定了一套下位机采集卡信息流控制方法，首先接收上位机传来的命令，选择正确的通道，然后判断接收数据的类型，设定上传数据的类型，最后判断上位机服务器下达的命令，命令一即为采集数据，命令二为上传历史数据，命令三为设定系统的时间，网络断开时则将数据保存至本地。

附图说明

图1是本发明的硬件架构图；

图2是本发明双主机运行模式图；

图3是本发明中下位机信息流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及一种嵌入式桥梁健康监测系统，包括3G无线模块、工控主机、采集卡和传感器，其中工控主机用于执行上位机下达的命令，根据上位机命令控制采集卡完成数据的采集，并接收采集卡传来的数据，整理并打包数据，将数据发往上位机服务器，3G无线模块用于通过公网发送接收数据，采集卡用于将传感器中的模拟信号转换成数字信号，传感器用于采集被测信息，在工控主机与采集卡之间连接有一个通信转换模块，所述3G无线模块与工控主机相连，工控主机与通信转换模块相连，通信转换模块与采集卡相连，采集卡与传感器的输出端相连，工控主机与通信转换模块之间采用CAN总线通信方式，通信转换模块与采集卡之间采用485通信方式。

如图2所示，通过双主机的方式来保证监测系统数据的连续性，并且同时只有一个主机工作，双主机通过一定的方式进行切换，同时3G模块建立连接的时候输出命令一，断开连接的时候输出命令二，且只输出这两种命令，工控主机上传数据的无线通道只有一个，当无线通信中断的时候，实时数据不能上传，工控主机会将采集到的数据存储至工控主机的存储空间中，待无线网络恢复时，可以通过命令调取断网期间的数据，但向服务器上传数据的通道只有一个，在上传历史数据的时候，就不能上传实时数据，为保证实时数据连续性，这里采用双主机工作模式：当主机一收到上传历史数据命令或处于异常状态时，主机二会启动，并作为上传实时数据的通道，待主机一恢复实时采集状态，可以上传实时数据时，主机二停止工作。

如图3所示，下位机信息流控制方法的具体步骤如下：

步骤（1）：接收上位机传来的控制命令，通过此命令判断是否重启下位机，并使数据接收标志位置1（标志位置1:可进行初始化，标志位置0:不可进行初始化；）

步骤（2）：判断当前通道是否处于开启状态，或者网络处于断开状态。如果通道开启或者网络断开，则进入主循环，进行上位机命令帧头判别，否则进入下一通道的状态判别；

步骤（3）：在步骤2中，如果进入主循环，则开始依据上位机命令初始化下位机采集卡的采样周期以及采集卡等待数据回复时间。并向终端采集卡发送采集卡设置命令以及采集卡启动命令，如果当前通道为第十通道，则将数据接收标志位置0，当处于其它九个通道时，标志位保持不变；

步骤（4）：接收八个字节的采集卡数据，并判断上传数据类型（动态数据或者静态数据）；

步骤（5）：如果为动态数据，则接着接收八个字节的数据，如果为静态数据则接着接收二十四个字节的数据；

步骤（6）：根据首次接收的八个字节数据的CAN总线ID来判断此组数据是从哪个通道传来的数据，并以此标记这组数据（不同的通道标有不同的帧头）；

步骤（7）：判断上位机服务器下达的命令（命令1：采集；命令2：上传历史数据；命令3：设定系统时间；无命令：数据保存至下位机）；

步骤（8）：判定CAN总线上传的状态（状态1：无误，上传数据；状态2：上传传感器故障码；状态3：上传采集卡故障码）；

步骤（9）：如果当前通道为第十通道，则执行步骤（1）至（8）步，否则执行（2）至（8）步。

Claims (3)

1.一种嵌入式桥梁健康监测系统，包括3G无线模块、工控主机、采集卡和传感器，其特征在于：工控主机用于执行上位机下达的命令，根据上位机命令控制采集卡完成数据的采集，并接收采集卡传来的数据，整理并打包数据，将数据发往上位机服务器，3G无线模块用于通过公网发送接收数据，采集卡用于传感器中的模拟信号转换成数字信号，传感器用于采集被测信息，在工控主机与采集卡之间连接有一个通信转换模块，所述3G无线模块与工控主机相连，工控主机与通信转换模块相连，通信转换模块与采集卡相连，采集卡与传感器的输出端相连，工控主机与通信转换模块之间采用CAN总线通信方式，通信转换模块与采集卡之间采用485通信方式，监测系统采用包含主机一和主机二的双主机架构的方式。

2.根据权利要求1所述的嵌入式桥梁健康监测系统，其特征在于：双主机架构其内部工作流程如下：工控主机收到上位机传来的采集命令后，根据上位机命令要求设定采集卡工作参数，然后启动采集卡进入连续采集状态，各采集卡被启动之后，周期性通过CAN总线向工控主机上传采集到的数据，主机收到采集卡数据后对其进行整理，并上传给上位机服务器，当主机一收到上传历史数据命令或处于异常状态时，主机二启动，并作为上传实时数据的通道，待主机一恢复实时采集状态时，主机二停止工作。

3.根据权利要求1所述的嵌入式桥梁健康监测系统，其特征在于：监测系统可选取不同的传感器，相对于不同的传感器协议，设计有下位机信息控制方法：

步骤（1）：接收上位机传来的命令，选择正确的通道；

步骤（2）：判断接收数据的类型，设定上传数据的类型；

步骤（3）：判断上位机服务器下达的命令，命令1即为采集数据，命令2为上传历史数据，命令3为设定系统的时间，网络断开时则将采集到的数据保存至下位机。